內(nèi)爆驅(qū)動(dòng)式超高速發(fā)射技術(shù)的初步研究

王馬法，HIGGINS Andrew J，焦德志，黃 潔，柳 森

（1. 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000；2. 麥吉爾大學(xué)工程力學(xué)系，魁北克 蒙特利爾 H3A2K6，加拿大）

隨著空間科學(xué)研究的發(fā)展，為進(jìn)一步開展空間碎片毀傷效應(yīng)、防護(hù)結(jié)構(gòu)以及超高速碰撞等研究工作，提出了10 km/s 以上的超高速發(fā)射需求。國內(nèi)外常用的發(fā)射技術(shù)（設(shè)備）包括：二級(jí)/三級(jí)輕氣炮、磁驅(qū)動(dòng)飛片、聚能射流、等離子體加速器、激光驅(qū)動(dòng)飛片裝置等[1-6]。其中二級(jí)輕氣炮是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最為成熟的發(fā)射設(shè)備。然而，受到炮體材料性能的限制，二級(jí)輕氣炮的穩(wěn)定發(fā)射速度基本都低于8 km/s，如果超過該速度，發(fā)射管將發(fā)生嚴(yán)重的燒蝕破壞[7]。雖然有些發(fā)射技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)8 km/s 以上的超高速發(fā)射，但是這些發(fā)射技術(shù)要么難以控制彈丸的質(zhì)量和形狀，要么只能發(fā)射很薄的飛片狀彈丸或質(zhì)量很小的彈丸[8]，因此將其應(yīng)用到超高速碰撞實(shí)驗(yàn)研究中受到了一定的限制。在20 世紀(jì)60 年代，內(nèi)爆驅(qū)動(dòng)式超高速發(fā)射技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2 g 彈丸12.2 km/s 的發(fā)射速度[9-10]；進(jìn)入21 世紀(jì)后，加拿大麥吉爾大學(xué)[1,11-13]又實(shí)現(xiàn)了15 g 彈丸7.5 km/s 左右的發(fā)射速度，這是一項(xiàng)發(fā)射質(zhì)量和速度都超過二級(jí)輕氣炮的超高速發(fā)射技術(shù)，能夠滿足空間碎片撞擊的研究需求。

內(nèi)爆驅(qū)動(dòng)式超高速發(fā)射技術(shù)（國外有Explosive hypervelocity launcher[9]、Explosively driven gun[10]、Implosion-driven launcher[11-13]等不同說法，國內(nèi)也有炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)高速激波管發(fā)射技術(shù)[14]、炸藥驅(qū)動(dòng)槍[15]等不同名稱，本文以Implosion-driven launcher 說法為準(zhǔn)，簡稱內(nèi)爆發(fā)射器）是一種利用炸藥爆炸線性擠壓壓縮管內(nèi)輕質(zhì)氣體，通過被壓縮的輕質(zhì)氣體驅(qū)動(dòng)彈丸的一種發(fā)射技術(shù)[11]，作用過程與二級(jí)輕氣炮中活塞壓縮高壓輕質(zhì)氣體類似，不同的是其活塞速度為炸藥爆速。國內(nèi)一些文獻(xiàn)中對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)介紹，但尚未見相關(guān)實(shí)驗(yàn)和仿真研究報(bào)道[14-15]。

為了掌握內(nèi)爆發(fā)射技術(shù)，獲得10 km/s 以上的發(fā)射能力，通過與加拿大麥吉爾大學(xué)的Higgins 教授合作，以8 mm 口徑內(nèi)爆發(fā)射裝置為研究對(duì)象，對(duì)內(nèi)爆發(fā)射器的發(fā)射能力和研究方法進(jìn)行了初步探索，開展了內(nèi)爆發(fā)射器內(nèi)彈道分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用AUTODYN 軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步仿真分析，最終針對(duì)典型狀態(tài)開展了初步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1 內(nèi)爆發(fā)射器工作原理

內(nèi)爆發(fā)射器主要由炸藥線性壓縮段、高壓段和發(fā)射管組成，其中炸藥線性壓縮段包括外殼、裝藥、壓縮管、驅(qū)動(dòng)氣體等，發(fā)射器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，作用過程如圖2 所示。左端炸藥起爆后，壓縮管向內(nèi)塌縮，形成錐形結(jié)構(gòu)，當(dāng)炸藥爆轟波傳播時(shí)，錐形結(jié)構(gòu)向右運(yùn)動(dòng)并壓縮驅(qū)動(dòng)氣體。該過程與二級(jí)輕氣炮中活塞壓縮高壓輕質(zhì)氣體類似，因此該錐形結(jié)構(gòu)可看成虛擬活塞，當(dāng)沖擊波到達(dá)彈丸底部時(shí)，高壓驅(qū)動(dòng)氣體開始推動(dòng)彈丸加速運(yùn)動(dòng)。

圖1 內(nèi)爆式超高速發(fā)射器結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig. 1 Structural diagram of implosion-driven hypervelocity launcher[11]

圖2 內(nèi)爆式超高速發(fā)射器工作原理[11]Fig. 2 Working diagram of implosion launcher after ignition[11]

2 內(nèi)爆發(fā)射過程的仿真分析

設(shè)計(jì)了內(nèi)徑16 mm、長度500 mm 的壓縮管和內(nèi)徑8 mm、長度300 mm 的發(fā)射管組成的內(nèi)爆發(fā)射器，高壓段采用錐段連接壓縮管和發(fā)射管，錐段半錐角度為5°。采用AUTODYN 軟件對(duì)該內(nèi)爆發(fā)射器的工作過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。

2.1 仿真模型及方法

采用有限元中的流固耦合方法進(jìn)行仿真。將模型分為Euler 模型和Lagrange 模型兩個(gè)部分：Euler 模型包括填充的氦氣、壓縮管、裝藥以及周圍空氣介質(zhì)；Lagrange 模型包括壓縮段外殼、高壓段、發(fā)射管以及彈丸。外殼、高壓段、壓縮管、發(fā)射管均采用4340 鋼。本構(gòu)模型采用Johnson Cook 模型，狀態(tài)方程為Linear。裝藥采用爆速為7 km/s 左右的季戊四醇四硝酸酯（PETN），狀態(tài)方程為JWL；驅(qū)動(dòng)氣體為氦氣，采用理想氣體狀態(tài)方程；彈丸本構(gòu)模型為Steinberg Guinan，狀態(tài)方程為Shock。材料參數(shù)均選自AUTUDYN 數(shù)據(jù)庫。

為了使彈丸能夠約束初始狀態(tài)的高壓氦氣，在彈丸與高壓氣體交界處增加一層Lagrange 網(wǎng)格。該網(wǎng)格與高壓段和彈丸均采用共節(jié)點(diǎn)的方式固定，并將該部分的材料失效應(yīng)變?cè)O(shè)置為0.5，當(dāng)達(dá)到失效應(yīng)變時(shí)自動(dòng)刪除該部分的網(wǎng)格，使其不會(huì)對(duì)彈丸發(fā)射造成過大影響。

2.2 仿真計(jì)算相關(guān)參數(shù)

針對(duì)彈丸材料和充氣壓力兩個(gè)參數(shù)，共進(jìn)行4 個(gè)狀態(tài)的仿真計(jì)算，相關(guān)參數(shù)以及各狀態(tài)下獲得的彈丸出炮口速度見表1。

表 1 不同彈丸材料和充氣壓力下仿真計(jì)算參數(shù)Table 1 Simulation parameters of launchers with different projectile materials and filling pressure

2.3 仿真結(jié)果

2.3.1 內(nèi)爆發(fā)射器工作過程

圖3 給出了內(nèi)爆式超高速發(fā)射裝置發(fā)射鋁彈丸的仿真結(jié)果，其中彈丸尺寸為 ?8 mm × 4 mm，質(zhì)量為0.55 g。零時(shí)刻從裝藥的左端面開始點(diǎn)火，裝藥爆炸后開始擠壓壓縮管形成錐形活塞，并在氦氣（初始?jí)毫? MPa）中形成壓力達(dá)到500 MPa 左右的沖擊波向右傳播，外殼達(dá)到失效應(yīng)變后被刪除，如圖3(b)所示，壓力超過1 GPa 時(shí)顯示為紅色；在55 μs 左右，沖擊波到達(dá)彈丸底部反射，形成峰值壓力高達(dá)5 GPa的氣體推動(dòng)彈丸加速運(yùn)動(dòng)；70 μs 左右炸藥爆轟結(jié)束；在108 μs 左右彈丸離開發(fā)射管，達(dá)到最高發(fā)射速度。

圖3 8 mm 口徑內(nèi)爆式發(fā)射裝置工作過程Fig. 3 Launch process of 8 mm caliber implosion launcher

2.3.2 不同初始充氣壓力下彈丸的發(fā)射速度

圖4 給出了充氣壓力分別為4、5 和6 MPa 狀態(tài)下鋁彈丸的速度-時(shí)間歷程。從速度-時(shí)間曲線上可以看到，彈丸加速過程有較為明顯的二次沖擊加載。初始沖擊加載是由先導(dǎo)沖擊波到達(dá)彈丸底部產(chǎn)生的；二次沖擊加載是彈丸底部反射的沖擊波到達(dá)左端后再次反射沖擊波，該沖擊波追趕上彈丸產(chǎn)生的。從表1 中的數(shù)據(jù)可知，4、5 和6 MPa 充氣壓力下彈丸的出炮口速度分別為8.62、9.17 和9.25 km/s?？梢钥吹?，炮口速度隨充氣壓力的增加而增加，但增加幅度縮小?？赡苁怯捎诋?dāng)充氣壓力從5 MPa 增加至6 MPa 時(shí)，壓縮管、高壓段內(nèi)壁的膨脹顯著增加，削弱了驅(qū)動(dòng)壓力增加的增速效果。

圖4 不同充氣壓力下鋁彈丸的速度-時(shí)間歷史Fig. 4 Velocity-time history of aluminum projectiles with different filling pressure

2.3.3 不同彈丸材料的發(fā)射速度

根據(jù)建立的仿真模型對(duì)尺寸為 ?8 mm × 4 mm的鋁合金彈丸和鎂合金彈丸進(jìn)行發(fā)射過程的計(jì)算，初始填充5 MPa 氦氣，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。0.55 g 鋁合金彈丸的最終發(fā)射速度為9.17 km/s；0.37 g 鎂合金彈丸的發(fā)射速度為10.66 km/s，比鋁合金彈丸速度高1.49 km/s。

圖5 不同材料彈丸速度-時(shí)間歷史Fig. 5 Velocity-time history of projectiles with different materials

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3.1 發(fā)射器結(jié)構(gòu)

發(fā)射器總長度為914 mm，最大部位直徑為81.4 mm，主要包括發(fā)射管、發(fā)射管護(hù)套、高壓段、外殼、壓縮管、彈丸和裝藥等。其中：發(fā)射管內(nèi)徑為8 mm，長度為304 mm；壓縮管內(nèi)徑為16 mm，長度為495 mm。裝藥為柱殼裝藥，厚度約為5 mm，裝藥量約為300 g，采用兩層以黑索金（RDX）為基底的片狀撓性炸藥包裹而成，撓性炸藥的爆速為7.1 km/s。彈丸直徑為8 mm，高度為4 mm。彈丸材料有兩種，分別是鋁合金和鎂合金，其中鋁合金彈丸質(zhì)量約為0.55 g，鎂合金彈丸質(zhì)量約為0.37 g，安裝完成后的發(fā)射器如圖6 所示。

圖6 內(nèi)爆式超高速發(fā)射器實(shí)物Fig. 6 Image of implosion-driven hypervelocity launcher

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置總體布局

實(shí)驗(yàn)裝置布局如圖7 所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括發(fā)射器、測試系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)等。發(fā)射器放置在厚壁防護(hù)筒內(nèi)，防止爆炸產(chǎn)生的碎片向外飛散，損傷實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備。采用激光測速系統(tǒng)和靶網(wǎng)測速裝置等測量彈丸的發(fā)射速度，并采用序列激光陰影成像儀拍攝模型的飛行姿態(tài)和形貌。實(shí)驗(yàn)中發(fā)射器壓縮管內(nèi)充5 MPa 氦氣，從端面起爆裝藥。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置布局示意圖Fig. 7 Layout of experimental equipment

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

共開展了7 次實(shí)驗(yàn)，其中鋁合金彈丸實(shí)驗(yàn)3 次，鎂合金彈丸實(shí)驗(yàn)4 次，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表 2 內(nèi)爆發(fā)射器實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of the implosion-driven launchers in tests

3.3.1 回收發(fā)射器

實(shí)驗(yàn)后的發(fā)射器壓縮管和外殼完全碎裂，高壓段外殼明顯膨脹變形并出現(xiàn)裂紋，回收的典型發(fā)射器裝置如圖8 所示。

圖8 ILT08 實(shí)驗(yàn)發(fā)射器裝置回收Fig. 8 Recycle launcher of test ILT08

3.3.2 鋁合金彈丸速度測試結(jié)果

3 次鋁合金彈丸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示，其中橫坐標(biāo)為測點(diǎn)位置離炮口的距離，縱坐標(biāo)為測得的速度，各次實(shí)驗(yàn)測得的最大速度見表2。其中，實(shí)驗(yàn)中測得的彈丸最高出炮口速度為7.95 km/s，比仿真預(yù)測速度9.17 km/s 低1.22 km/s，相對(duì)偏差為15.3%。實(shí)驗(yàn)速度偏低可能是許多因素共同影響的結(jié)果，例如裝置加工誤差、裝藥松緊程度、發(fā)射管與彈丸有摩擦阻力等，而仿真狀態(tài)則相對(duì)理想，沒有考慮這些因素的影響。另外，實(shí)驗(yàn)中彈丸的速度也有1 km/s 左右的偏差，撓性炸藥裝填、裝藥爆轟的圓周同步性、發(fā)射管與彈丸的配合程度等問題都會(huì)對(duì)實(shí)際發(fā)射速度造成一定影響，導(dǎo)致重復(fù)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)一定的偏差。

圖9 0.55 g 鋁合金彈丸速度測試結(jié)果Fig. 9 Experimental muzzle velocities of 0.55 g aluminum projectile

3.3.3 鎂合金彈丸速度測試結(jié)果

4 次鎂合金有效實(shí)驗(yàn)獲得的速度結(jié)果如圖10所示，實(shí)驗(yàn)測得的最大速度見表2。4 次實(shí)驗(yàn)獲得的最高發(fā)射速度與仿真預(yù)測速度10.66 km/s 非常接近，相對(duì)偏差為3.7%。鎂合金彈丸在實(shí)驗(yàn)中的速度偏差為1 km/s左右，產(chǎn)生偏差的原因可能與鋁合金彈丸相同。

圖10 0.37 g 鎂合金彈丸速度測試結(jié)果Fig. 10 Experimental muzzle velocities of 0.37 g magnesium projectile

3.3.4 彈丸成像結(jié)果

通過超高速八序列激光陰影成像儀拍攝彈丸在實(shí)驗(yàn)過程中的飛行情況，圖11 為3 次實(shí)驗(yàn)拍攝的照片，其中ILT11、ILT12 為鎂合金彈丸，ILT14 為鋁合金彈丸。在圖11 中可以看到，實(shí)驗(yàn)過程中的彈丸仍保持為一個(gè)整體彈丸，但存在一定程度變形，其中實(shí)驗(yàn)ILT12 的彈丸變形非常明顯。發(fā)生變形的原因可能是材料強(qiáng)度不夠，也可能是發(fā)射器結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，有待進(jìn)一步深入研究。

圖11 彈丸序列激光陰影成像結(jié)果Fig. 11 Projectile photos shot by sequence laser shadowgraph imager

4 結(jié) 論

通過與加拿大麥吉爾大學(xué)合作，初步設(shè)計(jì)了8 mm 口徑內(nèi)爆式超高速發(fā)射器結(jié)構(gòu)，采用AUTODYN 軟件對(duì)內(nèi)爆式超高速發(fā)射器內(nèi)彈道進(jìn)行數(shù)值模擬，所獲得的發(fā)射器作用過程中彈底壓力最高可達(dá)5 GPa，并計(jì)算了鋁合金彈丸和鎂合金彈丸的發(fā)射速度。最終通過開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)的內(nèi)爆發(fā)射技術(shù)能夠?qū)⒊叽鐬??8 mm × 4 mm、質(zhì)量為0.37 g 的柱狀鎂合金彈丸發(fā)射到10.28 km/s，將尺寸為 ?8 mm × 4 mm、質(zhì)量為0.55 g 的柱狀鋁合金彈丸發(fā)射到7.95 km/s。實(shí)驗(yàn)獲得的發(fā)射速度與數(shù)值仿真結(jié)果吻合較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了內(nèi)爆式超高速發(fā)射技術(shù)的可行性，在空間碎片的撞擊與防護(hù)方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。利用超高速八序列激光陰影成像儀拍攝彈丸的飛行情況，獲得了彈丸發(fā)射后的形狀，發(fā)現(xiàn)發(fā)射后的彈丸是一個(gè)整體彈丸，但與原始柱形結(jié)構(gòu)相比，存在不同程度的變形。未來將深入探索提高內(nèi)爆發(fā)射器速度的方法，分析彈丸發(fā)生變形的原因，并在保持彈丸初始形狀的發(fā)射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開展進(jìn)一步的研究工作。

感謝中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的羅慶、龍耀、宋強(qiáng)、周毅、覃金貴、李俊玲、姜林、鄒勝宇、李文光、廖強(qiáng)、劉曉龍、廖富強(qiáng)、丁建文等同事在實(shí)驗(yàn)過程中提供的無私幫助。